綜放工作面注漿錨索超前支護關鍵技術

馬登林

（冀中能源峰峰集團有限公司 大淑村礦，河北 邯鄲056300）

1 概 況

綜放工作面普遍采用單體液壓支柱超前支護，但單體支柱的支護強度較低，在超前支承壓力作用下，超前段頂板易發生下沉破壞；反復支撐會嚴重破壞巷道頂板與錨網索支護系統，導致頂板破碎；工人勞動強度大，耗時多。

此外，綜放工作面煤層開采厚度一般大于5 m，而單體液壓支柱一般適用于巷道頂板穩定、支承壓力小、高度小于4.5 m的巷道，綜放開采時，因開采厚度的增加，會導致工作面礦壓顯現程度劇烈，使用單體支柱超前支護時，易導致單體支護破壞失效、鉆底等事故發生，支柱回撤困難，影響回采效率。172404工作面平均傾斜長89.4 m，每天推進度達到4 m，職工在端頭作業期間，點柱支改工作量較大，而且工作面外段切眼長度僅70 m，煤機的割煤速度大于端頭支改點柱的速度，造成煤機等待端頭支護，工作面單產受限。使用注漿錨索超前支護后，能夠增加巷道通風斷面，對瓦斯治理起到積極作用。

2 研究主要技術內容

針對瓦斯突出礦井綜放工作面超前支護難題，采用理論分析、數值模擬、現場測試、工業性試驗等方法進行研究。

（1）綜放工作面超前支承壓力的分布及演化規律。依據大淑村礦的實際地質情況，建立數值模擬模型，研究隨著工作面開挖超前支承壓力演化規律；深入分析綜放工作面的開采特點，建立綜放工作面頂板結構運動模型，揭示綜放工作面頂板斷裂條件、斷裂位置以及運動規律；建立數值模擬模型，研究不同開采條件下綜放工作面超前支承壓力變化規律。

（2）注漿錨索超前支護力學分析。對采煤工作面超前支護進行力學分析，構建單體支柱超前支護力學模型和注漿錨索超前支護力學模型。結合數值模擬研究，對2種超前支護手段下支護體受力及圍巖變形進行分析。對比分析后，提出適應于綜放工作面開采的新型注漿錨索超前支護技術。

（3）注漿錨索超前支護關鍵技術研究。在傳統中空注漿錨索基礎上，研制具有高抗彎性能和高可靠性的新型注漿錨索；對注漿材料進行改性研究，通過拉拔試驗測試漿液的錨固特性；改進注漿輔助設備，包括工業用超聲波清洗機、注漿泵和止漿塞等，提高注漿作業效率。

（4）注漿錨索超前支護參數設計及工藝流程研究。建立主動支護力學計算模型，推導主動式超前支護強度計算公式；設計注漿錨索超前支護參數，提出校核計算公式；依據室內試驗和現場觀測，提出綜放工作面注漿錨索超前支護合理注漿時機確定方法；設計適用于注漿錨索超前支護的現場施工工藝流程，并提出相應施工安全技術要求。

（5）工業性試驗研究。以大淑村礦瓦斯突出綜放工作面為背景，研究注漿錨索超前支護技術，設計超前支護參數，形成一整套瓦斯突出礦井綜放工作面注漿錨索超前支護技術，并在現場監測支護效果。

3 分階段試驗方案

根據大淑村礦172404工作面煤層賦存地質特征，提出在172404綜放工作面回采期間，在工作面下超前支護，超前支承壓力影響范圍內采用注漿錨索代替點柱鉸接梁。為保證2種超前支護形式的平穩過渡，將172404綜放工作面下順槽超前支護技術過渡劃分為3個試驗階段。

3.1 階段Ⅰ

172404工作面下順槽57號鋼梁后開始布置單體支柱，配合注漿錨索超前支護形式，共計布置20 m（預計布置到47號鋼梁位置處）。其中，單體支柱布置為2排，第一排布置在巷道煤幫側，第二排布置在巷道中心，2排支柱交錯布置，每排支柱間距為2 m；巷道中心線打設的支柱中間位置布置1排錨索，每個斷面布置3根，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖1所示。172404工作面推進至距57號鋼梁15～20 m時，開始對階段Ⅰ內已打注漿錨索進行注漿施工。

圖1 階段Ⅰ超前支護俯視示意Fig.1 StageⅠtop viewof advanced support

3.2 階段Ⅱ

172404工作面下順槽47號鋼梁后開始采用單體支柱配合注漿錨索超前支護形式，共計布置20 m（預計布置到37號鋼梁位置處）。其中，單體支柱布置為1排，打設在巷道中心線處，點柱間距為2 m，相鄰2根支柱中間布置1排錨索，每個斷面布置3根錨索，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點，在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖2所示。172404工作面推進至距47號鋼梁（即測站Ⅰ位置處）15～20 m時，開始對階段Ⅱ內的已打注漿錨索進行注漿施工。

圖2 階段Ⅱ超前支護俯視Fig.2 StageⅡoverlook of advanced support

3.3 階段Ⅲ

在172404工作面下順槽37～27號鋼梁間取消單體支柱超前支護，全部采用注漿錨索加普通錨索進行超前支護，錨索排距為1.0 m，每個斷面布置3根錨索，其中2根注漿錨索和1根普通錨索，普通錨索布置在巷道中心線處，注漿錨索以巷道中心線為基點，在距中心線上下幫各1.2 m處均勻布置，如圖3所示。當172404工作面推進至距37號鋼梁（即測站Ⅱ位置處）15～20 m時，開始對階段Ⅲ內已打注漿錨索進行注漿施工。況進行探測；②通過電子頂板離層儀對172404工作面下順槽頂板進行監測；③采用電子錨索測力計對172404工作面下順槽頂板進行監測。

圖3 階段Ⅲ超前支護俯視Fig.3 StageⅢoverlook of advanced support

4 效果分析

通過3種觀測手段分別評價2種支護方案對頂板的支護效果，如圖4～圖6所示。①利用LHGX-K3孔內全景成像儀對巷道頂板裂隙發育情雙重作用，實現了被動支護向主動支護的轉換。

圖4 下順槽頂板裂隙發育情況Fig.4 Track development of the lower groove roof

圖5 電子頂板離層儀對172404工作面下順槽頂板進行監測Fig.5 172404 working face lower groove roof observation by electronic roof isolator

圖6 電子錨索測力計對172404工作面下順槽頂板監測曲線Fig.6 Monitoring curve of the groove roof under 172404 working face by electronic anchor cable dynamometer

視頻探測結果表明，實施注漿錨索超前支護后，巷道頂板裂隙發育范圍和數量均明顯減小。這是由于注漿錨索具有錨索支護與注漿加固相結合的雙重作用，實現了被動支護向主動支護的轉換。

從頂板離層儀監測結果可以看出，在172404工作面回采期間，172404工作面下順槽頂板未發生明顯離層變化，頂板完整性良好。3個階段的支護方案均能夠有效保護頂板，支護效果良好。從錨索測力計監測結果可以看出，在172404工作面回采期間，172404工作面下順槽頂板錨索受力整體變化較小，其中，第Ⅰ階段和第Ⅱ階段錨索受力增加了6～7 kN，而第Ⅲ階段錨索受力僅增加了3～4 kN。錨索測力計監測結果表明，3個階段的支護方案均能夠有效保護頂板，支護效果良好，且Ⅲ階段支護效果最優。

5 結 語

172404工作面下順槽注漿錨索超前支護技術的成功應用，提高了回采效率，通風斷面增大，風阻明顯減小，有效控制工作面巷道頂板變形破壞，減少了單體液壓支護、液壓支架等移柱、回柱操作，實現了礦井的高效生產，改善作業環境，降低安全風險，提高工作效率，經濟和社會效益均十分顯著，具有推廣應用前景。